航天员轨道出舱活动建模与仿真

admin · 发表于 2024-2-6 09:11:39

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航天员出舱活动是载人航天项目的重要内容。我国神七项目已实现了航天员首次出舱活动，后续将有更多更复杂的航天员轨道出舱任务，由于深空探测任务及地面模拟实验的特殊性和高成本，开展轨道出舱活动的建模与仿真研究是非常必要和迫切的。本文通过对历史出舱活动任务分析，提炼出轨道出舱活动基本动作；基于多刚体动力学理论，提出了失重人体运动建模方法，给出了模型数值求解流程，提出了虚拟模型运动仿真的验证方法；并对航天员轨道出舱活动的基本动作进行了仿真研究，分析了影响关节力量的特性因素。论文的主要研究内容包括：（1）开展了航天员轨道出舱活动的基本动作研究。首先，基于对哈勃空间望远镜出舱维修任务分析，提出了轨道出舱活动基本模式，建立了基本模式的作业流程。然后，提炼出轨道出舱活动基本动作：打开/关闭舱门；移入/移出器件；携带载荷移动；传递器件；解开/系上束缚带（线束）；松开/插紧销子(插头)；松开/拧紧螺栓；沿扶手移动。建立了轨道出舱活动基本动作库，从参与动作的人体活动部位、运动约束、终端施力及终端运动特点四个方面阐述了动作机理。建立了终端直线、圆（弧）及圆柱螺旋线运动模型。（2）提出了航天员轨道出舱活动基本动作的建模方法。首先，分析了舱外航天服和失重环境对出舱活动的影响，其次，提出了基于多刚体动力学理论的航天员出舱活动基本动作建模方法，建立了失重环境下的航天员静态模型、关节型多节段串接的运动学和逆向递推动力学模型，同时提出了虚拟模型运动仿真的验证方法，搭建了模型数值求解流程和验证框架。最后，通过航天员搬运载荷算例，说明了模型建立、数值求解及验证过程。（3）开展了航天员轨道出舱活动动作仿真研究。建立了失重人体运动仿真框架及流程，开展了航天员出舱活动基本动作仿真研究，包括：移入/移出器件动作仿真、打开/关闭舱门动作仿真及螺栓连接动作仿真。通过对仿真结果分析，说明了终端轨迹、模型自由度、运动坐标面及坐标轴方向、运动速度及增加肌肉模型对关节输出力量的影响，给出了三种基本动作关节省力的运动坐标面或坐标轴。为航天员出舱任务动作规划、工作点设计、地面工效实验及训练提供参考和指导作用。

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